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1、金属材料及热处理,第二篇 纯金属与合金的凝固,2,为什么要研究凝固？,原材料的组织（毛坯）两种毛坯组织形式 铸锭组织 型材与锻件组织 获得相应毛坯组织的方法 （铸造）结晶 （压力加工）塑性变形 焊接熔池形成焊缝组织及其性能,3,铸造生产砂模铸造,4,铸造,5,铸造,6,钢锭的组织示意图,7,钢锭的组织示意图,8,本篇的核心内容： 不同的结晶过程不同的合金组织不同的合金性能 通过控制结晶过程来获得需要的合金性能,9,第三章 纯金属的凝固,晶体的凝固即为结晶本章提要 金属结晶的宏观与微观过程 结晶条件 形核与长大规律 控制铸件晶粒的措施,10,3.1 纯金属的结晶过程,3.1.1 结晶过程不断的形
2、核以及晶核不断长大的过程形核率（N）：单位时间、单位体积液相中形成晶核的数量。（m-3.s-1） 晶核长大速率（G）：单位时间内晶核长大的线速度。（ m.s-1 ）,11,3.1 纯金属的结晶过程,3.1.2 液态金属的结构不是完全无序的 不断有近程有序的原子集团（晶胚）出现 这种结构时而形成，时而散开，称为结构起伏液态结构特点：长程无序，存在各种尺寸短程有序的结构起伏,12,金属结晶的结构条件,液相的结构起伏提供了各种尺寸的有序原子集团，成为结晶时核胚的来源。,13,3.2 结晶的热力学条件,3.2.1 过冷现象金属结晶是在平衡结晶温度以下开始的过冷度T=Tm-Tn,14,15,3.2.2
3、凝固的热力学条件,为什么降温发生凝固？等温等压条件下化学反应自发进行的条件是体系的自由能降低。凝固时自由能如何变化？,16,金属结晶的热力学条件,等温等压条件下,结晶时液相必须过冷。过冷度越大，结晶驱动力越大。,17,3.3 形核规律,3.3.1 均匀形核指通过在均匀的母相中自发形成新相结晶核心的过程。 1.均匀形核的能量变化,18,均匀形核能量条件的推导,假设形成的晶胚为球体，半径r,19,2.形核功,即：在数值上，临界形核功等于形成的新相临界晶核界面能的1/3,20,即：相变时体系的体积自由能的降低未能完全抵消新相形成时增加的界面能,抵消形成临界晶核时所增加的能量的是液相的能量起伏。这是均
4、匀形核的能量条件,21,纯金属结晶的条件,结构条件要求原子排列接近晶体 可由液相结构起伏满足 热力学条件 要求结晶过程体系自由能降低 可由液相具有的过冷度满足 能量条件 要求能克服体系增加的临界形核功 可由液相中的能量起伏满足,22,过冷度对临界晶核形成的影响,增加过冷度可以：增加结晶驱动力 降低均匀形核要求的结构起伏与能量起伏 故：在一定范围内增加过冷度有利于均匀形核,23,3.形核率,形核率，N（/m3s）:指单位时间、单位体积内形成的晶核的数量形核率影响结晶后晶粒的大小,24,影响均匀形核率的因素,形核功 原子扩散,25,过冷度对均匀形核率的影响,金属结晶主要考虑过冷度因素 有效成核温度
5、 该处T=0.2Tm纯净金属的均匀形核需要很大过冷度,26,金属均匀形核总结,形核时能量变化包含体积自由能的降低和新相界面能的增加 形核时需要满足结构、热力学、能量三方面条件 临界形核功等于新相界面能的1/3 过冷度显著影响均匀形核，金属材料的形核率随过冷度增大而增大。存在一个有效形核温度 有效形核需要的过冷度较大,27,3.3.2 非均匀形核,非均匀形核：实际金属结晶时依附于液相中的外来固体表面形核的方式 高熔点的杂质、铸型的型壁等,28,1.非均匀形核的能量变化,29,30,2.非均匀形核的临界形核功,31,接触角对形核功的影响,32,接触角对形核的影响,33,非均匀形核对形核剂的选择,降
6、低 可以减小接触角。 基底应选择与固相具有较强结构相似性的材料。,34,固体杂质表面形状对形核的影响,形核易 形核难,35,3.非均匀形核的形核率,形核功的影响 扩散的影响有效形核过冷度 T=0.02Tm,36,4.形核过程的控制（理解）,促进形核 抑制形核 选择形核,加入精心选择的形核剂，可以得到某些特定相。 通常是和固相性质接近的共格界面相。形核的界面能也小,37,均匀形核与非均匀形核的比较,38,3.4 长大规律,影响结晶后晶体形态的因素 液固界面形态 界面的生长方式 结晶界面前沿液相的温度分布,39,3.4.1 液固界面的微观结构,微观光滑界面又称小平面界面非金属特点： 界面可将两相截
7、然分开 界面由小平面组成 界面与等温面有一定角度 宏观粗糙,40,微观粗糙界面金属与半导体材料特点： 界面上固相与液相原子各占一半 界面厚度为几个原子层 界面与等温面大致平行 宏观光滑,41,42,3.4.2 晶核长大机制,长大过冷度 动态过冷度（Tk）：晶核长大需要的界面附近的过冷度。 粗糙界面与光滑界面的动态过冷度不 同。,43,粗糙界面的晶核长大机制 垂直长大机制原子直接添加 界面法向推进 界面与等温面基本平行 生长速度快,44,光滑界面的晶核长大机制二维晶核长大 依靠晶体缺陷长大 小平面与等温面之间有一定角度 生长速度慢,45,46,3.4.3 界面的生长形态,1.两种温度梯度dT/d
8、x0 dT/dx0,47,两种温度梯度的物理意义 正温度梯度：晶核长大时热量散失仅沿液相-界面-固相方向向外散失 负温度梯度：热量散失可同时由固相与液相排出,48,2.正温度梯度下的界面生长,49,对于光滑界面晶体，有利于形成规则外形的晶体。生长速度最慢的密排晶面成为晶体的外表面,50,正温度梯度下界面生长的形态 突起的生长将受阻 光滑界面生长出具有 与等温面有一定交角的台阶面特定晶面 粗糙界面生长与等温面平行一刀切晶体生长为平面状推移,51,3.负温度梯度下的界面生长,52,负温度梯度下界面的生长形态 突起处于更大的过冷度下，生长优先，表现出生长的分支树枝状生长 粗糙界面的金属将生长得到树枝
9、状晶体 光滑界面树枝状生长的倾向不明显,53,54,光滑界面的树枝状结晶仍带有小平面生长的特点。,55,3.5 结晶理论的实际应用,3.5.1 细化金属铸件晶粒的方法 为什么要细化？ 提高强度、硬度，还可提高塑性、韧性 细化晶粒的核心内容？ 充分形核、控制长大,56,1.提高过冷度实用措施 快速冷却 低温慢速浇注受尺寸限制,57,2.变质处理 通过加入外来难熔杂质增加形核率或阻碍晶核生长以细化晶粒组织的方法，称为变质处理。 加入的难熔杂质称变质剂,58,3.振动、搅拌有效 打碎树枝晶，增加小晶核 输入振动能，克服形核功电磁振动、搅拌，超生振动搅拌等,59,举例: 冷却速度对A356 铝合金铸件
10、组织的影响分析,随着冷却速度的提高,凝固组织中的共晶含量增多,而且初生相组织的形态也由粗大的树枝晶逐步向蔷薇状枝晶演变,60,举例：稀土、钒、钛变质处理对高硅铸钢晶粒细化的影响,经稀土、钒、钛变质处理后,高硅铸钢中形成大量的高熔点化合物,可以强烈地促进非均质形核,细化高硅铸钢的奥氏体晶粒;同时变质剂的加入可以明显提高钢液的过冷度,促进形核、细化奥氏体晶粒。,61,62,举例：超声对过共晶铝硅合金组织和性能的影响,使用新颖的超声处理装置,对过共晶Al-23 %Si 合金进行有无超声处理实验。结果表明:超声对初晶硅有显著的细化作用,分布更加均匀,并使晶粒的边缘圆滑过渡;对-Al 枝晶有超声变质作用
11、,使树枝状晶向等轴晶转变。,63,应用举例,64,65,66,67,主要的研究结论,68,WHY?,69,3.5.2 定向凝固技术,70,应用汽轮机叶片,71,单级汽轮机原理,72,汽轮机组,73,74,3.5.3 单晶体的制备,75,天然单晶体,76,77,78,单晶体的特性： 各向异性 光学特性 能量转换 能带特性等等天然单晶体有限、有晶体缺陷,79,人工合成晶体（单晶、双晶 ）,80,实验研究,81,82,3.5.4 急冷凝固技术及其合金,通过对熔体进行分散后快速冷却，可以得到丝材、粉末等非平衡态材料 微米、纳米晶粒 准晶材料 非晶材料 可以采用模冷法、雾化法等,83,84,85,86,
12、87,88,89,实验研究,90,91,92,其他应用举例,结晶规律用于电气火灾事故的技术鉴定通过运用金属结晶的基本规律来鉴定电气火灾现场起火点及其附近残留的金属导线熔化痕迹, 从微观金相组织特征确定熔痕的熔化性质。 即判断融化是由电的热作用（一次短路火前短路、二次短路火后短路）形成，还是由火灾热作用（外火所烧）形成, 为直接认定或者排除电气火灾原因提供客观、科学的依据。,93,根据形核数目、气泡及杂质的多少来判断,一次短路熔痕 二次短路熔痕 火烧熔痕,94,本章重要知识点 金属结晶的条件（结构、热力学、能量） 形核基本方式 均匀形核时的能量变化、形核率 非均匀形核的能量变化、形核率 微观粗糙
13、界面、其晶核长大方式、液固界面形态 微观光滑界面、其晶核长大方式、液固界面形态 控制铸件晶粒的措施,95,作业一 主题：新型凝固工艺与组织 要求：独立查阅并参考5篇以上相关的文献资料(期刊论文)，探索控制凝固理论的最新进展 内容（可包含以下内容中的若干项，可以对它们进行比较分析，可涉及特种铸造及其铸锭组织、特种焊接及其焊缝组织、金属或有机物均可）： 对凝固的基本理论的理解与掌握 基于凝固过程的某种新型材料的制备方法，所用的装置与设备特点、实验的原理等 得到的材料的组织与性能，检测分析手段与方法的应用等 注意思考具体的研究中体现出来的对传统凝固理论的继承与发展 格式：按文献综述的格式题目，摘要，正文，参考文献。横格稿纸，认真书写，1200字以上,96,97,98,99,
